漫画 | 5分钟看懂中国最新的量子计算机
这是Sheldon的第33篇漫画，所有图片大约3.1MB。
量子力学说不定会成为
计算机系的必修课哦！
阿基米德说过，
“给我一根杠杆，
我能撬动地球。”
那么问题来了：
为了承受地球的重量，
这根杠杆得多粗多长？
同样的道理，
在计算机科学家眼中，
给他一台传统计算机，
就能对一切任务进行运算。
只不过有些任务比较复杂，
运算时间有点儿长。
所以，
从实践的角度讲，
传统计算机不是无所不能的。
在执行某些特殊任务时，
（比如令科学家头疼的NP问题）
它是“臣妾做不到的”。
2010年，
MIT的计算机科学家
阿伦森和阿尔希波夫提出，
在一种类似于高尔顿板的
量子光学系统中，
进行“玻色采样”的任务，
传统计算机就搞不定。
在这种量子光学系统中，
光子就相当于弹珠，
多光子干涉仪相当于钉板，
单光子探测器负责查看
光子从哪个口子跑出来。
玻色采样看似是个普通问题，
可一旦牵扯到量子力学，
很多违反直觉的幺蛾子，
突然就冒出来了！
幺蛾子一：
波粒二象性
在量子力学中，
光子既是一种粒子，
又是一种波。
一束波遇到障碍之后，
既会透射，又会反射，
所以，
光子遇到分束器时，
既会透射，又会反射，
会同时从两侧跑出来。
幺蛾子二：
不可区分性
两个光子的情况就更复杂了。
首先，
两个光子可能完全一样，
你根本区分不了谁是谁。
幺蛾子三：
多光子干涉
在同时经过分束器的时候，
两个光子的分身们，
有可能会相互叠加，
也有可能会相互抵消，
最终结果很难一句话说明白。
幺蛾子四：
采样时波函数坍缩
当光子遇到出口的探测器时，
就会突然收起波动性，
展现出最初的粒子性。
一开始有两个光子进来，
最后只能让两个光子出去，
其余的“分身们”都必须消失，
这就是量子力学中的波函数坍缩。
总之，
玻色采样，
就是N光子跑进去，
又随机从其中N个出口
跑出来的过程，
全部归量子力学管。
阿伦森和阿尔希波夫证明，
用传统计算机解决这个量子问题，
采样的时间会非常长。
如果一共有N个光子参与实验，
传统计算机的采样时间，
就会呈N²×2N的规律增加，
比直接做玻色采样实验慢得多。
如果量子光学实验设计得合理，
肯定比传统计算机的速度快。
所以，
这个实验装置本身，
可以称之为一种光量子计算机。
而它“计算”的内容，
正是对输出光子的分布进行采样。
如果光子的数量达到50个，
在传统计算机看来，
计算量就会增加到3百亿亿次！
即使你用上目前的超级计算机，
都不可能很快完成一次玻色采样，
只能直接在装置上做实验。
这就是一种“量子优越性”。
实验装置说起来容易，
但实现起来却十分困难。
比如，
怎样才能干净利落地
产生单个光子？
怎样让产生的光子不可区分？
怎样才能降低玻色采样的损耗？
2017年5月，
这些难题
被中科大潘建伟、陆朝阳研究组攻克了。
如果利用这个装置
对三个光子进行玻色采样，
采集一个样本只需要0.2毫秒。
同样的任务，
如果由世界上第一台传统计算机
ENIAC通过计算完成，
则至少需要44毫秒。
可以说，
在这个特定的任务上，
量子计算机获得了胜利。
跟国际上其他同行类似的实验相比，
这个速度也快了24000倍。
不过，
目前这个装置，
只尝试了5个光子的实验。
若想秒杀超级计算机，
开展50个光子的实验，
科学家还需要努力。
况且，
玻色采样装置，
只能做玻色采样，
无法执行其他计算任务，
是一种非通用的量子计算机。
不过，
造出玻色采样装置，
也为制造通用量子计算机
扫清了重要的技术障碍。
因为高品质单光子源，
高效率干涉仪，
都是它通用的最核心部件。
除了光学装置之外，
科学家还借助很多手段，
尝试实现量子计算。
例如离子阱、核磁共振、
量子点、核自旋和超导等等。
2017年3月，
朱晓波、王浩华
和陆朝阳、潘建伟合作，
利用超导的方法，
制作了一个量子处理器，
还让10个量子比特
形成了量子纠缠。
在这个超导量子处理器中，
电磁波有两种能量不同状态。
一种状态表示比特0，
一种状态表示比特1。
根据量子力学的原理，
超导电路可以处于，
既是0又是1的叠加状态，
这就是传说中的量子比特。
量子计算机的优势是，
当它有N个量子比特时，
由于状态相互叠加，
它最多可以同时处理
2N个状态！
不过，
量子比特越多，
制造难度就越大。
在此之前，
科学家在超导量子计算中，
只能完全操控9个量子比特。
在这个超导量子处理器中，
中国科学家做到了
让10个量子比特形成了
最大程度的纠缠态。
一个计算机的运算过程，
就是操纵比特的过程。
让10个量子比特产生纠缠，
说明中国科学家
能够完全操控这10个量子比特。
这两个量子计算机的成果，
让中国科学家们
在通向更高级的量子计算的路上，
迈出了重要的不可或缺的一步。
在未来，
要想用上实用的量子计算机，
我们还有很多路要走。
期待那一天早日到来！
美指：牛猫
绘制：赏鉴
排版：胡豆
鸣谢：王辉、吴玉林、陆朝阳
朱晓波、潘建伟
本文首发于《墨子沙龙》
顺便帮墨子沙龙预告一个科普活动：
5月20日至21日11:00-17:00，潘建伟、陆朝阳、朱晓波量子计算机研究团队所在的中国科学技术大学上海研究院科技活动周末开始啦！
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